近距離煤層瓦斯涌出量影響因素之研究

趙效中

(西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052)

·試驗(yàn)研究·

近距離煤層瓦斯涌出量影響因素之研究

趙效中

(西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052)

為提高近距離煤層采煤面瓦斯涌出量受鄰近層影響程度的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，以西山礦區(qū)西銘礦48402工作面為例，通過(guò)對(duì)地應(yīng)力、瓦斯分布、瓦斯含量、瓦斯抽采等方面的分析研究，根據(jù)該面相關(guān)實(shí)測(cè)參數(shù)，得出了影響瓦斯涌出量的因素主要是三個(gè)方面，即:頂?shù)装鍛?yīng)力變化引起的煤層瓦斯涌出量的變化、采空區(qū)內(nèi)平均瓦斯含量隨著距工作面距離增大而減小、采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布的狀況對(duì)工作面瓦斯涌出量具有直接的影響。確定了今后開(kāi)采8#煤層時(shí)，除對(duì)本煤層進(jìn)行抽采外，還要對(duì)上鄰近層施工高位孔，對(duì)下鄰近層9#煤層施工底抽鉆場(chǎng)的辦法，為今后瓦斯綜合治理提供了科學(xué)依據(jù)。

近距離煤層;瓦斯分布;瓦斯含量;瓦斯抽采

近年來(lái)，隨著西山礦區(qū)采掘向地層深部延深，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，煤層瓦斯含量明顯增加，以屯蘭礦為代表的礦井已經(jīng)鑒定為煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井，西銘礦也相應(yīng)地提高了瓦斯管理等級(jí)，同時(shí)，在瓦斯治理手段和方法上提出了更高要求。尤其是近距離煤層開(kāi)采時(shí)，首采區(qū)域受鄰近煤層瓦斯涌出影響，會(huì)造成采掘面瓦斯涌出量增大，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。為此，研究近距離煤層瓦斯涌出量影響因素，成為開(kāi)采近距離煤層的首要任務(wù)。在西山煤電(集團(tuán))公司西銘礦48402工作面開(kāi)采時(shí)，對(duì)這一課題進(jìn)行了研究。

1 工作面概況

48402工作面采長(zhǎng)194 m，可采走向長(zhǎng)370 m。該面裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度4．20～4．75 m，平均厚度為4．47 m，煤層厚度變化不大，屬單一穩(wěn)定中厚煤層。回采范圍地層總體為復(fù)合型褶曲構(gòu)造，局部有小型背向斜構(gòu)造較發(fā)育。煤巖層傾角2°～15°，平均5°左右。

該面地表多為黃土覆蓋，蓋山厚度平均238 m。上覆2#煤已回采，3#煤局部回采，3#與8#煤層間距65 m 左右，下伏9#煤層與8#煤層間距為1．64～3．41 m。該面老頂為石灰?guī)r，厚度為8．29 m，呈灰色，致密堅(jiān)硬，含方解石脈及動(dòng)物化石;直接頂為石灰?guī)r，厚度為2．16 m，呈灰色，裂隙發(fā)育，含方解石脈，易呈塊狀冒落。偽頂為頁(yè)巖，厚度為0～0．2 m，呈黑色，破碎易冒落;直接底為細(xì)粒砂巖，厚度為2．26 m，灰白色，頂部有0．6 m左右黑色頁(yè)巖，底部有薄層頁(yè)巖，層理發(fā)育;老底為細(xì)粒砂巖，厚度為5．05 m，頂部為黑色頁(yè)巖為主，中下部以細(xì)粒砂巖為主。

2 影響瓦斯涌出量因素分析

2．1 頂?shù)装宓貞?yīng)力變化的影響

48402工作面回采期間，當(dāng)工作面推進(jìn)距離在0～18 m時(shí)，采空區(qū)頂板緩慢下沉，頂板破碎巖塊零散跨落，檢測(cè)工作面、回風(fēng)流、上隅角瓦斯無(wú)明顯增加;當(dāng)推至18～30 m時(shí)，大頂隨拉移支架逐步跨落，檢測(cè)點(diǎn)瓦斯呈現(xiàn)不規(guī)律瞬間涌出。

推進(jìn)至30 m以后，頂板全部跨落初次來(lái)壓結(jié)束后呈現(xiàn)為周期來(lái)壓，周期來(lái)壓步距為25 m，周期來(lái)壓時(shí)頂板活動(dòng)劇烈，片幫嚴(yán)重，支架壓力增大，瓦斯在隨后1～2 d內(nèi)增大，瓦斯增大時(shí)間略滯后于支架壓力增大時(shí)間。經(jīng)觀測(cè)，瓦斯增大幅度為正常涌出期間的140%。工作面、回風(fēng)流、上隅角瓦斯都呈現(xiàn)出同步變化，變化幅度較大。

通過(guò)分析可知，頂?shù)装鍛?yīng)力變化引起了煤層瓦斯涌出規(guī)律的變化，地應(yīng)力增大，頂?shù)装辶严栋l(fā)育增強(qiáng)，為近距離9#煤層瓦斯涌出創(chuàng)造了裂隙通道。

上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扰c工作面距離變化相關(guān)情況見(jiàn)圖1。

圖1 上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扰c工作面距離變化圖

2．2 采空區(qū)立體空間內(nèi)瓦斯分布狀況的影響

從48402采空區(qū)瓦斯涌出來(lái)源分析，認(rèn)為采空區(qū)瓦斯除從8#煤遺留浮煤涌出及裸露煤巖隔離柱涌出外，主要來(lái)源為近距離下伏9#煤層影響最為嚴(yán)重。在8#煤回采后解放9#煤，8#與9#煤層間距較小，砂巖或頁(yè)巖隔層裂隙發(fā)育，透氣性較好。

周期來(lái)壓前，采空區(qū)老頂緩慢下沉不斷地將采空區(qū)壓實(shí)，逐步減小采空區(qū)立體空間間隙，大量從9#煤涌出的高濃度瓦斯逐漸從采空區(qū)深部隨著老頂?shù)膲簩?shí)向外推移，形成活塞式積壓效應(yīng)，呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，9#煤向采空區(qū)涌出量變化均衡時(shí)，向采場(chǎng)空間涌出呈現(xiàn)“弱－強(qiáng)－弱”穩(wěn)定規(guī)律。

周期來(lái)壓時(shí)老頂大面積垮落，瓦斯密度為0．715 kg/m3，空氣密度為1．293 kg/m3，瓦斯容重幾乎為空氣1/2倍，采空區(qū)內(nèi)瓦斯受老頂垮落時(shí)震蕩激起的強(qiáng)烈氣流沖擊影響涌入工作面，在風(fēng)量不變情況下會(huì)造成瓦斯?jié)舛仍黾?，甚至發(fā)生超限。

48402工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯分層狀態(tài)圖，見(jiàn)圖2。

另外，不同工作面長(zhǎng)度也影響鄰近層瓦斯涌出量。隨著工作面長(zhǎng)度變化，采空區(qū)卸壓范圍發(fā)生變化，而這個(gè)范圍對(duì)采空區(qū)上下分層瓦斯涌出量影響極大。隨著長(zhǎng)度增加，逐漸形成卸壓區(qū)，煤巖應(yīng)力開(kāi)始釋放，造成鄰近煤層瓦斯涌入工作面及其采空區(qū)內(nèi)。

經(jīng)過(guò)對(duì)48402采空區(qū)瓦斯分布進(jìn)行測(cè)定，采空區(qū)內(nèi)平均瓦斯分布圖如圖3所示。從圖3可知，采空區(qū)內(nèi)平均瓦斯含量隨著距工作面距離增大而減小。

2．3 瓦斯含量對(duì)涌出量的影響

瓦斯含量是影響近距離煤層群采煤面瓦斯涌出量最重要的因素，采空區(qū)內(nèi)瓦斯的分布對(duì)工作面瓦斯涌出量具有重要影響;采煤過(guò)程中煤層瓦斯含量也對(duì)瓦斯涌出量有一定的影響。

根據(jù)采煤過(guò)程中瓦斯涌出量可以建立瓦斯涌出率與瓦斯含量的函數(shù)關(guān)系。煤層瓦斯涌出率η0按下式計(jì)算:

式中:

M0—煤層瓦斯含量，m3/t。

采空區(qū)瓦斯涌出率η1按下式計(jì)算:

式中:

M1—采空區(qū)內(nèi)平均瓦斯含量，m3/t。

掌握近距離煤層群，特別是鄰近層瓦斯含量將有助于預(yù)測(cè)實(shí)際瓦斯涌出量和預(yù)測(cè)瓦斯涌出量之間的差異，隨著工作面參數(shù)變化，這些差異也會(huì)隨之加大。上下鄰近層瓦斯含量分布取決于所采煤層的開(kāi)采程度。在采煤過(guò)程中，卸壓區(qū)內(nèi)上下分層瓦斯含量影響著瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)可靠性。基于此類，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性主要通過(guò)計(jì)算不同煤層的瓦斯含量梯度來(lái)達(dá)到目的。

瓦斯含量梯度gw由下式計(jì)算:

式中:

Mn—下部煤層n的原始瓦斯含量，m3/t;

Mp—上部煤層p的原始瓦斯含量，m3/t;

lk—兩煤層之間的間距，m。

對(duì)于任意煤層的原始瓦斯含量Mi由下式計(jì)算:

式中:hi—煤層i的埋深，m;

hk—所開(kāi)采煤層的埋深，m;

Mk—開(kāi)采煤層原始瓦斯含量，m3/t。

結(jié)合采煤面長(zhǎng)度、傾角等基礎(chǔ)參數(shù)，可計(jì)算出從頂板到底板瓦斯涌出的范圍，以開(kāi)采煤層瓦斯含量值為基礎(chǔ)參數(shù)，上下分層的煤層瓦斯含量梯度均可用公式計(jì)算得出。

3 采取的針對(duì)性措施

根據(jù)對(duì)48402工作面煤層原始瓦斯含量、瓦斯壓力、煤層透氣性、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)等的分析可知，當(dāng)近距離煤層瓦斯進(jìn)入采空區(qū)，會(huì)增加立體空間內(nèi)瓦斯總量，當(dāng)有上鄰近層瓦斯通過(guò)裂隙涌入采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)空間內(nèi)瓦斯變化趨勢(shì)為靠近頂板瓦斯?jié)舛茸罡?，越靠近底板瓦斯?jié)舛仍降?當(dāng)有下鄰近層瓦斯通過(guò)裂隙涌入采空區(qū)時(shí)，靠近底板附近層流狀態(tài)瓦斯?jié)舛茸罡?，擴(kuò)散至空間中部濃度變低，靠近采空區(qū)頂部則濃度再次升高。確定今后在開(kāi)采8#煤層時(shí)，除對(duì)本煤層進(jìn)行抽采外，還要對(duì)上鄰近層施工高位孔，對(duì)下鄰近層9#煤層施工底抽鉆場(chǎng)。

通過(guò)對(duì)48402工作面抽采鉆場(chǎng)觀測(cè)，認(rèn)為從初采初放開(kāi)始，1#底抽鉆場(chǎng)支管路抽采濃度呈降低趨勢(shì)，在工作面推進(jìn)超過(guò)切眼125 m以后，經(jīng)取樣檢測(cè)，瓦斯逐步呈反彈回升?？蓪?25 m作為8#煤采空區(qū)瓦斯臨界閾值，可推測(cè)采空區(qū)內(nèi)冒落區(qū)域逐步受壓密實(shí)。為解決近距離煤層瓦斯影響，該礦在相鄰巷道掘送3個(gè)底抽鉆場(chǎng)，采用“釜底抽薪”辦法對(duì)9#煤賦存瓦斯進(jìn)行攔截抽采。經(jīng)抽采8#煤層本煤層抽放濃度達(dá)30%，抽放純瓦斯流量為16 m3/min，混合瓦斯流量50 m3/min，工作面抽采率達(dá)53%。

4結(jié)論

瓦斯抽采是解決近距離煤層瓦斯涌出危害的有效手段，對(duì)于勉強(qiáng)抽放或較難抽放的煤層，主要采取的措施為開(kāi)采解放層，采用密集鉆孔預(yù)抽，時(shí)間保證在1年以上;對(duì)于可以抽放煤層，采取的措施主要是加強(qiáng)預(yù)抽，抽放時(shí)間在6個(gè)月以上，開(kāi)采解放層。上鄰近層抽放，若煤層埋藏較淺，可采用地面鉆孔抽;施工穿層鉆孔抽放時(shí)，鉆孔應(yīng)向采空區(qū)方向略為偏斜，在鉆機(jī)能力范圍內(nèi)盡力穿透各抽放煤層;對(duì)下鄰近層也可以采取下行鉆孔抽，穿層鉆孔終孔點(diǎn)應(yīng)鉆透所抽煤層并進(jìn)入巖層1 m，鉆孔沿工作面方向和傾斜方向均勻布孔;工作面長(zhǎng)＞100 m(傾斜－急傾斜煤層)時(shí)，可設(shè)抬高鉆場(chǎng)或增設(shè)中間巷抽;工作面長(zhǎng)＞150 m(緩傾斜煤層)時(shí)，工作面回風(fēng)、運(yùn)輸順槽應(yīng)同時(shí)布置鉆孔抽。緩傾斜近距離煤層群抽放可以采用巷道抽或“網(wǎng)格”式布孔抽，采用密集鉆孔。

近距離煤層瓦斯涌出量研究，不僅找到了近距離煤層瓦斯管理的思路，特別是為近距離難采煤層受二次動(dòng)壓影響的條件下施工巷道提供了有效、經(jīng)濟(jì)、合理的科學(xué)方法，而且還進(jìn)一步掌握了綜采工作面抽采變化規(guī)律，從而為選擇合理的瓦斯綜合治理方式提供了重要理論依據(jù)。該技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。不僅適用于西銘礦，而且還可應(yīng)用于類似條件的其它礦井，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

［1］煤炭科學(xué)研究總院撫順?lè)衷海旱V安全手冊(cè)［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，1994:7－11．

［2］ 俞啟香．中國(guó)采煤工作面瓦斯涌出規(guī)律及其控制研究．［J］．北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，29(1):9－14．

［3］姜文忠，霍中剛，秦玉金．礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)技術(shù)［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(6):1－4．

［4］張榮立，何國(guó)緯，李鐸．采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．煤炭工業(yè)出版社，2010:4－14．

Study on Gas Em ission Factors of the Close Coal Seam

Zhao Xiao－zhong

In order to improve the predictive accuracy of gas emission in the mining face of close coal seam by the adjacent layers influence degree，takes the 48402 face in Ximing mine of Xishan mining area as example，through analyzing ground stress，gas distribution，gas content，gas extraction and other aspects，based on the measured parameters of the face，obtains that the factors of impact of gas emission mainly are three aspects，namely the stress change in the roof and floor caused change of gas emission in the coal seam，the average gas content in the gob area decreases with increasing of the face distance，gas distribution status in goaf has direct impact on the amount of gas emission．Determine the approach when in future the No．8 coal seam would be mined，in addition to the coal seam extraction，but also on the upper adjacent layer construct high hole，No．9 coal seam of the next adjacent layer construct bottom pumping drilling field，for future gas comprehensive control provides scientific basis．

Close coal seam;Gas distribution;Gas content;Gas extraction

TD712

A

1672－0652(2012)09－0045－03

2012－08－09

趙效中(1968—)，男，山西五臺(tái)人，1992年畢業(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作(E －mail)sxtyxswxd@126．com